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Doctoral Thesis

Functional brain mapping and neuropsychological tests in ADHDmeasures of specific deficits, developmental continuity anddiagnostic outcome

Author(s): Imhof, Katharina Beatrice

Publication Date: 1999

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-002053355

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Diss. ETH No 13077

FUNCTIONALBRAINMAPPINGAND NEUROPSYCHOLOGICALTESTSINADHD:

MEASURES OF SPECIFICDEFICITS, DEVELOPMENTALCONTINUITY ANDDIAGNOSTIC OUTCOME

Adissertation submitted to the

SWISSFEDERAL INSTITUTEOF TECHNOLOGYZÜRICH

for the degree of

DOCTOROF NATURALSCIENCES

presented byKATHARINABEATRICEIMHOF

dipl. sc. nat. ETH

bornNovember 20, 1971

Citizen ofMorschach (SZ)

accepted on the recommendation of

Prof. Dr. Hans Zeier, examiner

Dr. Daniel Brandeis, co-examinerProf. Dr. HelmutKrueger, co-examiner

Prof. Dr. Dr. Hans-ChristophSteinhausen,co-examiner

1999

SUMMARY

Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is one of the most prevalentchildhood disorder. Several investigators found a population prevalence of 4% to 5%.

ADHD reflects a severe impairment of psychological development. It is characterized

by high leveis of inattention, hyperactivity and impulsivity, evident in behavioral

Symptomsand during attention test Performance. While the Performance data reflect a

result of neural processing, the concurrentlymeasured event-related potentials (ERPs)with their millisecond time resolution provide an essential complement which can

separate neuralprocessing stages. These processing stages are characterized by several

ERP components, including the cognitive P300. ADHD children often have reduced

P300 components to cues or to targets, suggesting attentional resource deficits. In

addition, they may show specific Performance deficits in task conditions requiringresponse selection and inhibition.

This work involves three laboratory studies includingattention tasks with brain

mapping comparingADHD children with control children (chapter 2 and chapter3) andcomparing persistent with non-persistent ADHD children (chapter 4). In addition,developmental and predictive aspects of specific attention deficits are examined in

chapter3 and chapter4.In chapter2 we examined 32-channel ERPs and Performancein matched ADHD

and control children during spatially compatible,incompatible,and no-go conditionsina spatialStroop test. No-go errors were increased in ADHDchildren,indicating that these

children are less efficient in response inhibitionthan controls. The parietal late P300was

attenuated in ADHD children for go Stimuli while the more central late P300 for no-go

Stimuliwas unaffected. This argues for an action-relatedrather thanan inhibitory deficit in

ADHD. Incompatibility increased the frontal N2 but neither prolonged P300 latency nor

interacted with the P300 attenuation of ADHD children, indicating that spatial Stroopincompatibility affected processes which are not impaired in ADHD.

In chapter3, we addressed the question ofdevelopmental lag in ADHD children

with a longitudinal brain mapping study. ADHD children resemble youngerchildren in

their high leveis of motor activityand their poor Performance in attention tests. So far,there is no clear evidence if this resemblance results from immaturity of specific

attention Systems in ADHD. We studied the development of posterior attention

functions in ADHD and control children by measuring their brain electric activityduring orienting to cues. Event-related potential (ERP) maps were measured in two

testing sessions 1.2 year apart, using a Continuous PerformanceTest (CPT) with cue-

target sequences. Cues evoked P300microstates with lower amplitude in ADHD than in

control children in both sessions, indicating that reduced orienting in ADHD is stable

over more than one year. The longitudinal analysis revealed that the cue P300

microstate was stronger in the first session for both groups. Opposite cue P300

microstate effects were thus obtained for ADHD children and for younger children,

indicating that these ADHDeffectscannot reflect developmental lag.In chapter 4, we investigated potential predictors of the developmentand outcome

of ADHD, a topic which is ofparticularclinical interest. We related diagnostic persistencein a 2.4 year follow-up to DSM-III-R-symptoms and to Performance of specific attention

tests (spatial Stroop/go-nogo and cued Continuous Performance Test, CPT) at intake.

Eleven of 22 ADHD children showed diagnostic persistence (pADHD) over this time

interval. pADHD children were characterized by significantly more inattentive and

hyperactive-impulsivebehavior than non-persistent ADHD (nADHD) children in both

assessments. The hyperactivity-impulsivity symptom score and a specific spatial StroopPerformance deficit, i.e., slower reaction time for left hemifield Stimuli, discriminated

pADHD best from nADHD children. Together, these measures from the first assessment

significantlypredicted the stability of ADHD at a rate of 95%. The results indicate that

hyperactive-impulsive behavior and right hemisphere processing deficits make

independent contributions to the prediction. We suggestthat hyperactivity-impulsivity is

related to morepronouncedfrontal, and the right hemisphere deficit to more pronouncedposterior dysfunction of attention Systems in pADHD children compared to nADHD

children.

ZUSAMMENFASSUNG

Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) ist eine der häufigstenStörungen im Kindesalter. Verschiedene Studien haben in der Bevölkerung eine

Prävalenz von 4% bis 5% gezeigt. ADHD widerspiegelt eine ernsthafte

Beeinträchtigung der psychologischen Entwicklung. Diese Störung ist durch erhöhte

Unaufmerksamkeit,Hyperaktivität und Impulsivität charakterisiert, was im Verhalten

und in der Leistung von Aufmerksamkeitstests ersichtlichwird. WährendTestleistungenErgebnisse von neuronalen Prozessen wiedergeben, erlauben gleichzeitig gemessene

evozierte Potentiale (EPs) mit einer Auflösung im Millisekunden-Bereich eine

Trennung dieser neuronalen Verarbeitungsstufen. Diese Verarbeitungsstufenwerdendurch verschiedene Komponenten des EPs charakterisiert, z.B. durch die kognitiveP300. ADHD-Kinder zeigen häufig eine reduzierte P300 Komponenteauf Warn- oder

Zielreize, was auf Defizite bei den Ressourcenfür Aufmerksamkeit schliessen lässt.

Ausserdem können sie in Testbedingungen die eine Antwort-Selektion oder Antwort-

Hemmungverlangen spezifische Leistungsdefizite zeigen.Diese Arbeit umfasst drei Laboruntersuchungen, die Aufmerksamkeitstests mit

Brain Mapping beinhaltenund ADHD-Kinder mit Kontrollkindern(Kapiteln2 und 3)und persistierende mit nicht-persistierenden ADHD-Kindern (Kapitel 4) vergleichen.Ausserdem wird ADHD in Kapitel 3 auf die Entwicklungund in Kapitel 4 auf die

Voraussagbarkeit der Persistenz untersucht.

In Kapitel2 haben wir 32-Kanal EPs und die Leistung von ADHD-Kindern und

gematchtenKontrollkindern während räumlich kompatiblen, inkompatiblen und no-go

Bedingungen in einem räumlichen Stroop Test untersucht. Die erhöhte Anzahl der no-

go Fehler der ADHD-Kinder zeigt, dass diese Kinder weniger erfolgreich Antworten

hemmenkönnen als Kontrollkinder. Die parietale P300nach go Stimuliwar bei ADHD-

Kindernvermindert,während die mehr zentrale P300 nach no-go Stimuliunbeeinflusst

war. Dies spricht eher für ein handlungsbezogenes Defizit als für ein Defizit bei

Hemmprozessenbei ADHD. Inkompatibilität erhöhte die frontale N2, verlängerte aber

weder die P300 Latenz noch interagierte sie mit der P300 Verminderung der ADHD-

Kinder,was darauf schliessen lässt, dass die räumliche Stroop-Inkompatibilität Prozesse

beeinflusste,welchebei ADHDnicht beeinträchtigt sind.

In Kapitel 3 gingen wir der Frage der verzögerten Entwicklung von ADHD-Kindern mittels einer Längsschnitt-Studiemit Brain Mapping nach. ADHD-Kinder

gleichenjüngeren Kindern in Bezug auf ihr hohes Niveau an motorischer Aktivität und

ihre schwache Leistung bei Aufmerksamkeitstests.Es gibt keinen eindeutigenHinweisdarauf, dass diese Ähnlichkeit aus einer Unreife von spezifischenAufmerksamkeitssystemenbei ADHD resultiert. Wir untersuchtendie Entwicklungvonposterioren Aufmerksamkeitsfunktionen bei ADHD- und bei Kontrollkindern,indemderen elektrische Gehirnaktivitäten während der Orientierungbeim Warnreiz gemessen

wurden. Karten von ereignisbezogenen Potentialen (ERP) wurden während zwei 1.2

Jahre auseinanderliegenden Testsessionen gemessen, in denen ein Continuous

Performance Test (CPT) mit Zielsequenzen verwendet wurde. Die Reize riefen in

beiden Sitzungen geringereAmplituden in den P300 Mikrozuständenbei ADHD- als

bei Kontrollkindern hervor, was darauf schliessen lässt, dass die reduzierten

Orientierungprozesse bei ADHD über mehr als ein Jahr hin stabil bleibt. Die

Längsschnitt-Analyse zeigte, dass der Warnreiz-P300 Mikrozustand in der ersten

Sitzung für beide Gruppen stärker war. Umgekehrte Effekte im Mikrozustand der

Warnreiz-P300wurden demzufolgefürADHD-Kinder und fürjüngere Kinder ermittelt.

Dies liegt den Schluss nahe, dass diese ADHD-Effekte nicht eine verzögerteEntwicklungreflektieren.

In Kapitel 4 untersuchtenwir mögliche Faktoren zur Vorhersagedes Verlaufs

von ADHD, ein Thema, das von besonderem klinischen Interesse ist. Wir verglichendiediagnostischePersistenz über 2.4 Jahre hinweg mit den DSM-III-R-Symptomenund mit

der Leistung bei spezifischen Aufmerksamkeitstests (räumlicherStroop/go-nogo und

CTP mit Warnreiz), die bei der Erstuntersuchung durchgeführt wurden. 11 der 22

ADHD-Kinder zeigten diagnostische Persistenz (pADHD) über dieses Zeitintervall.

pADHD Kinder wurden bei beiden Testsitzungen durch signifikant höheres

unaufmerksames und hyperaktiv-impulsives Verhalten als dasjenige der nicht¬

persistenten ADHD-Kinder (nADHD) charakterisiert. Die Anzahl der Hyperaktivität-Impulsivität Symptome und ein spezifisches Defizit in der Leistung des räumlichen

Stroop Tests für Stimuli der linken Gesichtshälfte unterschied die pADHD am

5

deutlichsten von den nADHD-Kindern.Zusammengenommenzeigtendiese Messungenaus der ersten Untersuchungdie Stabilität von ADHD mit 95% voraus. Die Resultate

zeigen, dass hyperaktives-impulsives Verhalten und Defizite in der rechts-

hemisphärischen Verarbeitung unabhängigvoneinander zur Voraussagebeitragen. Wir

glauben, dass Hyperaktivität-Impulsivität verstärkt mit frontalen und die Defizite der

rechten Hemisphäre mehr mit posterioren Dysfunktionen im Aufmerksamkeitssystemvon pADHD-Kindern im Vergleich zu nADHD-Kindernkorreliertist.